Numerical Back-Analysis of Frost Heave Forces on Piles in Glacial Soils in Southern Ontario

Robert Adams, Evan S.Y. Ma, Sergei Terzaghi, Mei T. Cheong

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: Cet article présente un modèle numérique qui simule le comportement du soulèvement par le gel grâce à une analyse par éléments finis thermique hydromécanique (THM) entièrement couplée. Une révision des paramètres thermiques du sol non gelé documentés fut entreprise, et une étude paramétrique fut réalisée pour déterminer les paramètres pratiques du sol gelé requis pour l’application du modèle d’éléments finis qui emploie les modèles de sol constitutifs de Mohr-Coulomb et de « Hardening Soil » précédemment calibrés pour des sols d’origine glaciaire à Toronto. Ensuite, ces modèles furent appliqués pour reproduire des forces d’adhérence due au gel rétro calculées sur les pieux peu profonds d’une étude dans des sols similaires dans le Sud ontarien. Le modèle thermique hydromécanique couplé qui fut développé a pu reproduire le comportement du soulèvement par le gel montré dans les données de l’étude, mais exigeait l’ajout d’une cohésion importante pour y arriver. Les limites et ajustements nécessaires du modèle pour la simulation du soulèvement par le gel sont discutés.

ABSTRACT: This paper presents a numerical model capable of simulating frost heave behaviour through a fully coupled thermal-hydro-mechanical (THM) finite element analysis. A review of documented unfrozen thermal soil parameters was undertaken, and a parametric study was caried out to determine practical frozen soil parameters required for implementation of the finite element model, which used Mohr-Coulomb and Hardening Soil constitutive soil models previously calibrated for glacial derived soils in Toronto. Secondly, these models were implemented to compare to back-calculated ad-freeze forces on shallow piles measured during a case study in similar soils in Southern Ontario. The coupled thermal-hydro-mechanical model developed through this study was able to replicate the frost jacking behaviour observed in the case study data, but required the addition of significant cohesion to achieve this. The limitations and required adjustments of the model for the application of simulating frost heave are discussed.

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